在網路化整合感測與通訊系統中，針對移動能量採集接收器，利用感測輔助實現穩健的無線資訊與能量同步傳輸

核心概念

本研究探討在網路化整合感測與通訊（ISAC）系統中，如何利用感測技術輔助實現針對移動能量採集接收器（EHR）的穩健無線資訊與能量同步傳輸（SWIPT）。

摘要

整合感測與通訊系統中移動能量採集接收器的感測輔助穩健無線資訊與能量同步傳輸

本研究論文探討了在網路化整合感測與通訊（ISAC）系統中，利用感測技術輔助實現針對移動能量採集接收器（EHR）的穩健無線資訊與能量同步傳輸（SWIPT）。

研究背景

• 無線資訊與能量同步傳輸（SWIPT）技術可以同時為通訊用戶（CU）提供通訊服務並為能量採集接收器（EHR）傳輸能量。
• 現有研究主要集中在靜態 EHR，而沒有考慮 EHR 移動和位置估計誤差引起的位置不確定性。
• 整合感測與通訊（ISAC）技術可以將感測和通訊服務整合到一個平台中，實現頻譜、硬體和訊號處理模組的共享。

研究目標

• 提出一個感測輔助的 SWIPT 設計方案，以解決移動 EHR 的位置不確定性問題，並提高能量傳輸效率。
• 最小化系統功耗，同時滿足通訊和能量傳輸需求。

研究方法

• 提出一個兩階段的穩健設計方案：
  • 感測階段：執行協作感測以定位 EHR。
  • 無線能量傳輸（WPT）階段：利用感測結果進行高效的 WPT。
• 提出一個雙層最佳化框架，以聯合最佳化時間分配比例、協作波束成形策略和感測節點選擇。

主要發現

• 感測階段可以有效提高 WPT 效率並節省大量功耗。
• 針對給定的位置不確定性，存在一個最佳的時間分配比例。

研究意義

• 本研究為網路化 ISAC 系統中移動 EHR 的 SWIPT 提供了一種有效的解決方案。
• 所提出的設計方案可以提高能量傳輸效率，並為未來的無線供電網路提供參考。

統計資料

引述

從以下內容提煉的關鍵洞見

Sensing-assisted Robust SWIPT for Mobile Energy Harvesting Receivers in Networked ISAC Systems

by Yiming Xu, D... 於 arxiv.org 10-31-2024

https://arxiv.org/pdf/2402.09976.pdf

深入探究

在更複雜的網路環境中，例如存在障礙物或多徑效應時，如何進一步提高感測輔助 SWIPT 的性能？

在存在障礙物或多徑效應等更複雜的網路環境中，可以透過以下方法進一步提高感測輔助 SWIPT 的性能：

採用更先進的通道估計技術： 障礙物和多徑效應會導致通道衰落和多徑傳播，進而影響定位精度和能量傳輸效率。可以採用基於深度學習的通道估計技術，例如深度神經網路 (DNN) 或卷積神經網路 (CNN)，來更精確地估計通道狀態資訊 (CSI)，從而提高系統性能。

利用多徑信號進行定位和能量傳輸： 多徑效應在傳統上被視為一種負面因素，但也可以被視為一種資源。可以利用多徑信號進行多基地定位，例如到達時間差 (TDOA) 或到達角度差 (AOA) 定位，以提高定位精度。此外，還可以利用多徑信號進行能量束形成，將能量集中到 EHR 所在的位置，提高能量傳輸效率。

結合其他感測資訊： 可以結合其他感測資訊，例如來自相機、雷達或其他感測器的數據，來提高定位精度和環境感知能力。例如，可以利用相機識別障礙物，並利用雷達測量 EHR 的速度和方向，這些資訊可以與 SWIPT 系統共享，以提高系統性能。

設計更魯棒的波束成形和資源分配算法： 在複雜的網路環境中，需要設計更魯棒的波束成形和資源分配算法，以應對通道估計誤差和環境變化。可以採用魯棒優化技術，例如半正定規劃 (SDP) 或機會約束規劃，來設計能夠在不確定性條件下保證系統性能的算法。

如果 EHR 不可靠，例如可能偽造其位置資訊，如何設計安全的 SWIPT 方案？

如果 EHR 不可靠，可能偽造其位置資訊，設計安全的 SWIPT 方案至關重要。以下是一些可以考慮的安全措施：

身份驗證和金鑰管理： 在允許 EHR 加入網路之前，必須進行嚴格的身份驗證，以確保其合法性。可以使用基於物理層安全性的技術，例如通道狀態資訊 (CSI) 指紋，來增強身份驗證的安全性。此外，還需要建立安全的密钥管理机制，以保護通信和能量传输的安全性。

位置資訊驗證： 可以使用多種技術來驗證 EHR 提供的位置資訊的真實性。例如，可以使用多基地定位技術，例如到達時間差 (TDOA) 或到達角度差 (AOA) 定位，從多個 AP 獨立估計 EHR 的位置，並比較這些估計值與 EHR 提供的位置資訊是否一致。

信譽管理系統： 可以建立一個信譽管理系統，根據 EHR 過去的行為來評估其可靠性。如果 EHR 頻繁地提供虛假的位置資訊，其信譽值將會降低，系統可以採取相應的措施，例如降低其服務優先級或將其從網路中移除。

基於區塊鏈的安全機制： 區塊鏈技術可以提供去中心化、不可篡改和可追溯的數據管理機制，可以用於安全地存儲和驗證 EHR 的位置資訊。例如，可以將 EHR 的位置資訊記錄在區塊鏈上，並使用共識機制來驗證其真實性。

本研究提出的感測輔助 SWIPT 方案能否應用於其他領域，例如無線感測網路或物聯網？

本研究提出的感測輔助 SWIPT 方案具有廣泛的應用前景，可以應用於無線感測網路、物聯網等其他領域。以下是一些潛在的應用場景：

智慧交通系統： 在智慧交通系統中，可以使用感測輔助 SWIPT 技術為車聯網設備 (V2X) 提供通信和能量傳輸服務。例如，路邊的 AP 可以利用感測技術定位車輛，並根據車輛的位置和速度調整波束成形方向，以提高能量傳輸效率。

智慧家居和智慧城市： 在智慧家居和智慧城市中，可以使用感測輔助 SWIPT 技術為各種物聯網設備提供通信和能量傳輸服務。例如，智慧家居中的 AP 可以利用感測技術定位智慧家電，並根據家電的位置和使用狀態調整能量傳輸策略。

環境監測： 在環境監測中，可以使用感測輔助 SWIPT 技術為無線感測器網路提供通信和能量傳輸服務。例如，可以使用無人機搭載 AP，利用感測技術定位部署在偏遠地區的感測器，並為其提供能量，以延長感測器網路的壽命。

醫療保健： 在醫療保健中，可以使用感測輔助 SWIPT 技術為植入式醫療設備提供無線充電和數據傳輸服務。例如，可以使用體外設備利用感測技術定位植入式設備，並為其提供能量，以避免頻繁更換電池或進行手術。

總之，感測輔助 SWIPT 技術在無線感測網路和物聯網領域具有廣泛的應用前景，可以為各種應用場景提供高效、可靠和安全的通信和能量傳輸服務。